棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)力熱環(huán)境仿真研究

張 鵬，趙 鑠，蘇 南，桂蜀旺，侯向陽,

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京100094；2.南京航空航天大學(xué) 飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

0 引言

近年來，新型可展開氣動(dòng)減速技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢逐漸受到人們的青睞[1-3]。該技術(shù)根據(jù)防熱材料的柔性程度及展開驅(qū)動(dòng)形式可分為柔性充氣式[4-7]、半剛性機(jī)械式[8-16]和剛性機(jī)械式[17-18]3種。

其中半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)的氣動(dòng)面是通過若干組連桿機(jī)構(gòu)支撐柔性防熱材料實(shí)現(xiàn)的[8]，在連桿機(jī)構(gòu)與柔性防熱材料連接處形成棱邊，使得整個(gè)氣動(dòng)外形呈獨(dú)特的柔性棱臺(tái)狀[3]，區(qū)別于柔性充氣式的回轉(zhuǎn)體剛性外形和剛性機(jī)械式的棱臺(tái)式剛性外形。因此，開展棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)特征研究是進(jìn)行半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵內(nèi)容之一。文獻(xiàn)[3]針對半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)的棱臺(tái)式柔性外形，開展了氣動(dòng)面流固耦合建模與分析，確定了柔性面變形特征，并利用修正后的CFD模型進(jìn)行了考慮變形影響的氣動(dòng)壓力、氣動(dòng)剪力、熱流密度及總加熱量特征研究。

本文在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上利用相同的計(jì)算方法、模型和條件（幾何參數(shù)、彈道參數(shù)均相同），對3種氣動(dòng)外形（傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形、棱臺(tái)式剛性外形和棱臺(tái)式柔性外形）開展0°攻角狀態(tài)下的氣動(dòng)力熱環(huán)境對比分析（其中關(guān)于棱臺(tái)式柔性外形的分析數(shù)據(jù)直接引用文獻(xiàn)[3]），比較3種可展開氣動(dòng)減速技術(shù)的氣動(dòng)特征，以期加深對棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)環(huán)境特征的認(rèn)識(shí)，為半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)的深入研究及工程化實(shí)施提供參考。

1 氣動(dòng)熱環(huán)境特征比較

圖1為某時(shí)刻3種外形的氣動(dòng)熱分布情況。圖中：L1為圓錐式回轉(zhuǎn)體外形某一特征曲線，L2、L3為棱臺(tái)式外形兩棱邊之間中部區(qū)域特征曲線，L4、L5為棱臺(tái)式外形棱邊區(qū)域特征曲線，下文氣動(dòng)壓力、氣動(dòng)剪力分布圖中的特征曲線標(biāo)注同此。

圖1 某時(shí)刻不同外形氣動(dòng)熱流密度分布及特征曲線比較Fig.1 Heat flux characteristicsof different aeroshellsat a certain time

對比分析發(fā)現(xiàn)：3種外形的高熱流密度區(qū)域均出現(xiàn)在迎風(fēng)面中部，棱臺(tái)式外形的高熱流密度區(qū)域范圍明顯小于傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的，且不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形駐點(diǎn)處熱流密度峰值最大；隨著徑向距離的增加，3種外形的熱流密度均逐步減小，且在剛性防熱頭錐處減小幅度較大、在柔性氣動(dòng)面處減小幅度相對平緩，而在過肩部處由于氣動(dòng)面外形曲率半徑減小，受湍流邊界層作用，熱流密度又小幅上升；傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的周向熱流密度相對均勻，棱臺(tái)式外形的周向熱流密度在棱邊處較集中，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形更為明顯。這是因?yàn)槿嵝悦姘l(fā)生變形后，棱邊相對柔性面呈明顯“凸起”，從而導(dǎo)致局部熱流密度過大。

進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)：對于兩棱邊之間的區(qū)域，不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形熱流密度最大（如圖1中L2所示），考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形熱流密度最?。ㄈ鐖D1中L3所示）；對于棱邊區(qū)域，仍然是不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形熱流密度最大（如圖1中L4所示），考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形熱流密度次之（如圖1中L5所示），傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形熱流密度最小。

由此可知，對于柔性氣動(dòng)面小變形狀態(tài)，不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形氣動(dòng)熱特征能夠包絡(luò)考慮壁面變形的氣動(dòng)熱特征。因此，對于半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)工程設(shè)計(jì)，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形分析得到的氣動(dòng)熱特征作為熱防護(hù)材料研制的輸入條件。

2 氣動(dòng)壓力特征比較

圖2為某時(shí)刻3種外形氣動(dòng)壓力分布情況。

圖2 某時(shí)刻不同外形氣動(dòng)壓力分布及特征曲線比較Fig.2 Aerodynam ic pressure distributions for different aeroshells at a certain time

對比分析發(fā)現(xiàn)：3種外形的高氣動(dòng)壓力區(qū)域均出現(xiàn)在迎風(fēng)面中部，棱臺(tái)式外形的高氣動(dòng)壓力區(qū)域范圍明顯小于傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的，3 種外形駐點(diǎn)處的氣動(dòng)壓力峰值相當(dāng)；傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的周向氣動(dòng)壓力相對均勻，棱臺(tái)式外形的周向氣動(dòng)壓力在棱邊處較集中，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形更為明顯；3種外形的徑向氣動(dòng)壓力分布特征均表現(xiàn)為：隨著徑向距離增加整體減小，而在過肩部處又出現(xiàn)陡然上升的趨勢，且在剛性防熱頭錐處減小幅度較大、在柔性氣動(dòng)面處減小幅度相對平緩。不同的是，考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)壓力先在剛?cè)峤唤缣幐浇霈F(xiàn)明顯減小，然后隨著徑向距離增加，先增大后減小。

進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)：對于棱邊區(qū)域及棱邊之間區(qū)域，不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形氣動(dòng)壓力整體上大于考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)壓力。由此可知，對于柔性氣動(dòng)面小變形狀態(tài)，不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形氣動(dòng)壓力特征能夠包絡(luò)考慮壁面變形影響的氣動(dòng)壓力特征。因此，對于半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)工程設(shè)計(jì)，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形分析得到的氣動(dòng)壓力特征作為熱防護(hù)材料研制及結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)承載設(shè)計(jì)的輸入條件。

3 氣動(dòng)剪力特征比較

圖3為某時(shí)刻3種外形氣動(dòng)剪力分布情況。

圖3 某時(shí)刻不同外形氣動(dòng)剪力分布及特征曲線比較Fig.3 Aerodynamic shear distributions for different aeroshellsat a certain time

對比分析發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的周向氣動(dòng)剪力變化梯度相對均勻，棱臺(tái)式外形的周向氣動(dòng)剪力在棱邊處較集中，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形更為明顯；3種外形的徑向氣動(dòng)剪力特征均表現(xiàn)為：在迎風(fēng)面中心區(qū)域先急劇增大，在過肩部處又陡然上升。不同的是，傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的徑向氣動(dòng)剪力在急劇增大之后趨于平穩(wěn)；而棱臺(tái)式外形的徑向氣動(dòng)剪力在棱邊區(qū)域急劇增大之后，隨著徑向距離的增加繼續(xù)增大，只是增速較緩；在兩棱邊之間中部區(qū)域，在剛?cè)峤唤缣幰院?，隨著徑向距離的增加逐漸減小并趨于平穩(wěn)。

進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)：對于棱邊區(qū)域及棱邊之間區(qū)域，不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形氣動(dòng)剪力大于考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)剪力。由此可知，對于柔性氣動(dòng)面小變形狀態(tài)，不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形氣動(dòng)剪力特征能夠包絡(luò)考慮壁面變形的氣動(dòng)剪力特征。因此，對于半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)工程設(shè)計(jì)，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形分析得到的氣動(dòng)剪力特征作為熱防護(hù)材料研制的輸入條件。

4 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形、棱臺(tái)式剛性外形和棱臺(tái)式柔性外形氣動(dòng)力熱環(huán)境對比分析，得出以下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形的周向氣動(dòng)力熱分布均勻，而棱臺(tái)式外形在棱邊處出現(xiàn)氣動(dòng)力熱集中現(xiàn)象，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式柔性外形更為明顯。

2）隨著徑向距離增加，3種外形的熱流密度均逐步減小，而在過肩部處又陡然小幅上升。

3）棱臺(tái)式剛性外形（不考慮壁面變形影響）與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形的氣動(dòng)壓力分布規(guī)律一致，均為隨著徑向距離增加整體減小，而在過肩部處又陡然上升；棱臺(tái)式柔性外形（考慮壁面變形影響）的氣動(dòng)壓力分布規(guī)律則是先在剛?cè)峤唤缣幐浇霈F(xiàn)明顯減小，然后隨著徑向距離增加，先增大后減小。

4）棱臺(tái)式剛性外形（不考慮壁面變形影響）與棱臺(tái)式柔性外形（考慮壁面變形影響）的氣動(dòng)剪力分布規(guī)律一致，均是棱邊區(qū)域的氣動(dòng)剪力隨著徑向距離的增加而增大，兩棱邊之間區(qū)域的氣動(dòng)剪力在剛?cè)峤唤缣幰院?，隨著徑向距離的增加而減小。

5）棱臺(tái)式剛性外形（不考慮壁面變形影響）的氣動(dòng)力熱特征整體上可以包絡(luò)棱臺(tái)式柔性外形（考慮壁面變形影響）的氣動(dòng)力熱特征，因此，對于半剛性機(jī)械展開式氣動(dòng)減速技術(shù)工程設(shè)計(jì)，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺(tái)式剛性外形分析數(shù)據(jù)作為其熱防護(hù)材料研制的輸入條件。